Hétérostructures de van der Waals à base de Nitrure

par Hugo Henck

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Abdelkarim Ouerghi.

Soutenue le 21-09-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) .


  • Résumé

    Le sujet de cette thèse est à l’interface entre l’étude de composés à base de nitrure et des structures émergeantes formées par les matériaux bidimensionnels (2D) d’épaisseur atomique. Ce travail se consacre sur l’hybridation des propriétés électriques et optiques des semi-conducteurs à larges bandes interdites que sont les nitrures et des performances mécaniques, électriques et optiques des matériaux lamellaires, récemment isolé à l’échelle d’un plan atomique, qui sont aujourd’hui considérées avec attention aux regards de futures applications et d’études plus fondamentales. En particulier, une étude des propriétés électroniques, optiques et structurelles d’hétérostructures composées de plusieurs matériaux lamellaires et d’interfaces entre matériaux 2D et 3D a été réalisé par des moyens de microscopie et de spectroscopie tel que la spectroscopie Raman, de photoémission et d’absorption.Ce manuscrit traite dans un premier temps des propriétés structurelles et électroniques du nitrure de bore hexagonal (h-BN), matériau isolant aux propriétés optiques exotiques et essentiel dans la future intégration de ce type de matériaux 2D permettant de mettre en valeur leurs propriétés intrinsèques.En utilisant le graphène comme substrat les problèmes de mesures par photoémission rencontrés pour des matériaux isolant ont pu être surmonté dans le cas du h-BN et une étude des défauts structurels a pu être réalisée. Par conséquent, les premières mesures directes de la structure de bande électronique de plusieurs plans de h-BN sont présentées dans ce manuscrit.Dans un second temps, une approche d’intégration de ces matériaux 2D différente a été étudiée en formant une hétérostructure 2D/3D. L’interface de cette hétérojonction, composée d’un plan de disulfure de molybdène (MoS2) de dopage intrinsèque N associé à 300 nm de nitrure de gallium (GaN) intentionnellement dopé P à l’aide de magnésium, a été caractérisée. Un transfert de charge du GaN vers le MoS2 a pu être identifié suggérant un contrôle des propriétés électroniques de ce type de structure par le choix de matériaux.Ces travaux ont permis de révéler les diagrammes de bandes électroniques complet des structures étudiées a pu être obtenu permettant une meilleur compréhension de ces systèmes émergeants.

  • Titre traduit

    Nitride based van der Waals heterostructures


  • Résumé

    This thesis is at the interface between the study of nitride based compounds and the emerging structures formed by atomically thin bi-dimensional (2D) materials. This work consists in the study of the hybridization of the properties of large band gap materials from the nitride family and the mechanical, electronic and optical performances of layered materials, recently isolated at the monolayer level, highly considered due to their possible applications in electronics devices and fundamental research. In particular, a study of electronics and structural properties of stacked layered materials and 2D/3D interfaces have been realised with microscopic and spectroscopic means such as Raman, photoemission and absorption spectroscopy.This work is firstly focused on the structural and electronic properties of hexagonal boron nitride (h-BN), insulating layered material with exotic optical properties, essential in in the purpose of integrating these 2D materials with disclosed performances. Using graphene as an ideal substrate in order to enable the measure of insulating h-BN during photoemission experiments, a study of structural defects has been realized. Consequently, the first direct observation of multilayer h-BN band structure is presented in this manuscript. On the other hand, a different approach consisting on integrating bi-dimensional materials directly on functional bulk materials has been studied. This 2D/3D heterostructure composed of naturally N-doped molybdenum disulphide and intentionally P-doped gallium nitride using magnesium has been characterised. A charge transfer from GaN to MoS2 has been observed suggesting a fine-tuning of the electronic properties of such structure by the choice of materials.In this work present the full band alignment diagrams of the studied structure allowing a better understanding of these emerging systems.


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